◎ 解 謙，楊 陽(yáng)，劉利萍，李寶園

（1.山西大同大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，山西 大同 037009；2.山西大同大學(xué)化工學(xué)院，山西 大同 037009）

番茄紅素是類胡蘿卜素其中的一種，同時(shí)也是一種脂溶性天然色素。最早從番茄中分離得到，在1930年Schunck將番茄中的提取物命名為“Lycopene”，這個(gè)名稱一直用到現(xiàn)在[1]。番茄紅素具有較強(qiáng)的清除自由基、碎滅單線態(tài)氧的能力，能夠緩解衰老，提高機(jī)體免疫力，還可以預(yù)防前列腺癌、乳腺癌及消化道(包括結(jié)腸、直腸及胃)癌的發(fā)生[2-4]。番茄紅素顯現(xiàn)的優(yōu)良性能受到國(guó)內(nèi)外廣泛的關(guān)注，而番茄紅素的潛在價(jià)值還沒(méi)有被完全開(kāi)發(fā)，但人體自身無(wú)法合成這種物質(zhì)，只能從其他物質(zhì)中提取，所以提取番茄紅素成為了重要的問(wèn)題。番茄紅素的提取率的提升也成為了生產(chǎn)過(guò)程中重要的因素，能影響番茄紅素提取的因素也成為了關(guān)注的焦點(diǎn)。

超臨界二氧化碳萃取技術(shù)是近半個(gè)世紀(jì)來(lái)發(fā)展較好，使用面相對(duì)較廣的一種萃取技術(shù)[5]。這種技術(shù)有著良好的性能，在二氧化碳處于超臨界狀態(tài)下，按照不同的理化性質(zhì)把物質(zhì)進(jìn)行分離，而且分離過(guò)程中不會(huì)破壞物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，分離結(jié)束也不會(huì)在萃取物中留下其他雜質(zhì)[6]。超臨界萃取技術(shù)沒(méi)有過(guò)多的有機(jī)溶劑，防止了有些溶劑對(duì)環(huán)境的污染。現(xiàn)在超臨界萃取技術(shù)大量運(yùn)用在中藥的有效物質(zhì)提取方面，既可以提出有效成分也能夠保證物質(zhì)提取過(guò)程中不被其他物質(zhì)破壞。基于此，本研究通過(guò)探究超臨界二氧化碳提取時(shí)各種因素對(duì)于番茄紅素提取率的影響，為番茄紅素提取的工業(yè)化生產(chǎn)提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

新鮮番茄：市售，實(shí)驗(yàn)前4 ℃儲(chǔ)藏；90%乙醇、蘇丹Ⅰ、乙酸乙酯：分析純，洛陽(yáng)昊華化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

超臨界二氧化碳萃取儀器：DXSFE120-50-05，南通杜欣新能源科技有限公司；分光光度計(jì)：SP-754，上海博訊實(shí)業(yè)有限公司。

1.3 工藝流程

將高純度二氧化碳從二氧化碳儲(chǔ)存罐注入到凈化器中，將氣體過(guò)濾。進(jìn)入液化槽，將二氧化碳在0 ℃左右液化，然后將液化的二氧化碳預(yù)熱進(jìn)入萃取缸，再將壓力提升至相應(yīng)的數(shù)值，使二氧化碳成為超臨界狀態(tài)。把提取物注入萃取缸中，將萃取物轉(zhuǎn)移到二氧化碳中。提取結(jié)束后，系統(tǒng)壓強(qiáng)降低，二氧化碳的溶解能力下降，萃取得到的物質(zhì)會(huì)與二氧化碳分離，得到萃取物。在過(guò)程中，二氧化碳可以循環(huán)利用，減少二氧化碳消耗量。

1.4 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

本次實(shí)驗(yàn)采取了單因素控制變量的實(shí)驗(yàn)方式，分別從提取溫度、提取壓力、提取時(shí)二氧化碳的流速和提取時(shí)間4個(gè)方面進(jìn)行相應(yīng)的研究實(shí)驗(yàn)。正交實(shí)驗(yàn)中，排除了時(shí)間因素的影響，把提取溫度、提取壓力、提取時(shí)二氧化碳的流速3個(gè)因素做正交實(shí)驗(yàn)。

將從市場(chǎng)買回來(lái)的新鮮番茄洗凈、搗爛、去籽后進(jìn)行真空冷凍干燥，得到番茄的固體粉末。分別稱取原料5 g，經(jīng)過(guò)提取后的殘?jiān)? g，用分光光度計(jì)得到兩者的吸光度，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線找出所對(duì)應(yīng)的濃度計(jì)算提取率。

番茄紅素提取率的計(jì)算公式：

1.5 番茄紅素標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

稱取蘇丹Ⅰ25 mg，用乙酸乙酯定容至100 mL，分別抽取0.2、0.3、0.4、0.5 mL和0.6 mL，再用乙酸乙酯定容至50 mL，用分光光度計(jì)分別測(cè)出吸光值，將所得數(shù)據(jù)繪制出標(biāo)準(zhǔn)曲線（圖1）。

圖1 番茄紅素標(biāo)準(zhǔn)曲線圖

1.6 單因素實(shí)驗(yàn)

1.6.1 提取溫度

稱取100 g干燥后的番茄粉末，將體積分?jǐn)?shù)90%的乙醇作為夾帶劑、提取壓力定為30 MPa、提取時(shí)二氧化碳的流速30 L/h、提取時(shí)間為2 h，分別在30、35、40、45、50 ℃和55 ℃的條件下對(duì)番茄紅素進(jìn)行提取。

1.6.2 提取壓力

稱取100 g干燥后的番茄粉末，將體積分?jǐn)?shù)90%的乙醇作為夾帶劑、提取溫度定為45 ℃、提取時(shí)二氧化碳的流速30 L/h、提取時(shí)間為2 h，分別在20、25、30、35 MPa和40 MPa 5個(gè)不同的提取壓力下觀察番茄紅素的提取率。

1.6.3 二氧化碳流速

稱取100 g干燥后的番茄粉末，將體積分?jǐn)?shù)90%的乙醇作為夾帶劑、提取溫度定為45 ℃、提取壓力在30 MPa、提取時(shí)間為2 h，分別以20、25、30 L/h和35 L/h的二氧化碳流速對(duì)番茄紅素的提取進(jìn)行研究。

1.6.4 提取時(shí)間

稱取100 g干燥后的番茄粉末，將體積分?jǐn)?shù)90%的乙醇作為夾帶劑、提取溫度定為45 ℃、提取壓力在30 MPa、提取時(shí)二氧化碳的流速30 L/h，探究提取時(shí)間分別為0.5、1、1.5、2、2.5 h和3 h時(shí)，對(duì)于番茄紅素提取的影響。

1.7 正交實(shí)驗(yàn)

提取壓力、提取時(shí)的溫度、二氧化碳流速對(duì)番茄紅素提取率的影響較大，而且會(huì)相互影響，從而無(wú)法依靠單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出結(jié)論，再以提取壓力、提取溫度、提取時(shí)二氧化碳流速三個(gè)因素做正交實(shí)驗(yàn)，正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 正交實(shí)驗(yàn)表

1.8 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 18.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行均值及誤差的分析。Excel 2003進(jìn)行表格制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫度對(duì)番茄紅素提取率的影響

由圖2的折線圖分析得出，運(yùn)用超臨界二氧化碳提取番茄紅素時(shí)，在45 ℃時(shí)的提取率最高。在30～45 ℃隨著溫度的提升，番茄紅素的提取率也增加。在45 ℃之后，番茄紅素的提取率又隨著溫度的增加而減少。

由于二氧化碳的臨界溫度是31 ℃，所以在31 ℃附近的時(shí)候番茄紅素的提取率才會(huì)有明顯的提升。在31 ℃以下時(shí)，提取率較低。在30 ℃時(shí)二氧化碳處于超臨界狀態(tài)，對(duì)于番茄紅素的提取效果大大提升；在溫度的提升下二氧化碳對(duì)番茄紅素的提取率加強(qiáng)。溫度升高，微觀粒子的運(yùn)動(dòng)速率增加，物質(zhì)的擴(kuò)散速率增加，會(huì)提升番茄紅素的提取率[7]。但溫度繼續(xù)升高，二氧化碳密度減小，對(duì)于有機(jī)物的溶解效果減弱，所以對(duì)于番茄紅素的提取效果也隨之減弱。而溫度升高也會(huì)使番茄紅素不穩(wěn)定，會(huì)使番茄紅素分解速率增加，所以提取效果也會(huì)減弱。

圖2 不同溫度對(duì)番茄紅素提取率的影響圖

2.2 提取壓力對(duì)番茄紅素提取率的影響

由圖3的折線圖分析得出，運(yùn)用超臨界二氧化碳提取番茄紅素時(shí)，在30 MPa左右的提取率最高。20～30 MPa，隨著壓力的增強(qiáng)，番茄紅素的提取率也在上升。在30～40 MPa，番茄紅素的提取率沒(méi)有明顯的增強(qiáng)，幾乎趨于平穩(wěn)。

提取壓力的提升使得二氧化碳的密度增加，減小了與有機(jī)溶劑的距離，增加了提取物被提取的機(jī)率，二氧化碳的溶解度增加。所以在一定范圍內(nèi)壓力增加，提取率就隨著增加。

圖3 提取壓力對(duì)于番茄紅素提取率的影響圖

2.3 二氧化碳流速對(duì)番茄紅素提取率的影響

由圖4的折線圖分析得出，運(yùn)用超臨界二氧化碳提取番茄紅素時(shí)，二氧化碳的流速在30 L/h左右最為適宜。20～30 L/h，隨著二氧化碳流速的增加，番茄紅素的提取率呈上升趨勢(shì)，但在30～35 L/h二氧化碳流速繼續(xù)增加時(shí)，番茄紅素的提取率反而下降。

超臨界提取裝置的提取主體是二氧化碳，二氧化碳對(duì)提取率有直接影響。二氧化碳的流速增加，使得溶劑量增大，傳質(zhì)速率增加，提取速率加快。二氧化碳的流速過(guò)快會(huì)使得有機(jī)物無(wú)法與溶劑充分接觸，使需要被提取出的番茄紅素?zé)o法完全到達(dá)二氧化碳中，從而降低了番茄紅素的提取速率，所以最后二氧化碳速率越高，反而提取率下降[8]。同時(shí)二氧化碳流速測(cè)試組數(shù)較少，因此無(wú)法確定繼續(xù)提高流速是否能夠提高提取率。

圖4 二氧化碳流速對(duì)番茄紅素的影響圖

2.4 提取時(shí)間對(duì)番茄紅素提取率的影響

由圖5的折線圖分析得出，運(yùn)用超臨界二氧化碳提取番茄紅素時(shí)，隨著時(shí)間的推移，番茄紅素的提取率不斷地增強(qiáng)，但是在2 h之后，番茄紅素的提取率增加緩慢，幾乎沒(méi)有增長(zhǎng)。

提取時(shí)間的增加會(huì)使得番茄紅素提取的更加充分，在2 h時(shí)，大量番茄紅素已經(jīng)被提取出。2 h之后番茄紅素的提取率有一定增加，但是增加幅度極小，幾乎保持不變?？赡艿脑蚴菚r(shí)間過(guò)長(zhǎng)，未被提取出的番茄紅素分解，所以會(huì)使提取率無(wú)法再升高。

圖5 時(shí)間因素對(duì)于番茄紅素提取的影響圖

2.5 正交實(shí)驗(yàn)

由表2和表3可以看出，影響番茄紅素提取率的因素中，二氧化碳流速對(duì)番茄紅素提取率的影響較大，溫度對(duì)于提取率的影響次之。而壓力對(duì)于提取率的影響最小。

二氧化碳的流速直接決定了其與提取物番茄紅素的接觸面積，直接影響傳質(zhì)系數(shù)。當(dāng)二氧化碳流速降低，溶質(zhì)量減少時(shí)，提取番茄紅素的速率減少；當(dāng)流速過(guò)快時(shí)，使得番茄紅素與溶質(zhì)無(wú)法充分接觸，使傳質(zhì)系數(shù)降低，無(wú)法充分提取番茄紅素。正交實(shí)驗(yàn)中溫度處在一個(gè)相對(duì)溫和的條件下，番茄紅素在這個(gè)溫度下分解速率較慢，二氧化碳受到溫度的影響也較小，不會(huì)因?yàn)闇囟榷^(guò)多影響傳質(zhì)系數(shù)[9-10]。溫度不直接影響提取時(shí)的傳質(zhì)系數(shù)，而是通過(guò)影響其他物質(zhì)的理化性質(zhì)對(duì)提取率造成間接影響，不如二氧化碳流速對(duì)番茄紅素提取率的影響直接。提取壓力會(huì)增加二氧化碳與提取物的接觸面積，壓力越大，物質(zhì)的接觸面積越多，傳質(zhì)系數(shù)越大，所以對(duì)于實(shí)驗(yàn)的影響效果較小。

表2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果表

表3 方差分析表

3 結(jié)論

本次單因素實(shí)驗(yàn)測(cè)試了4個(gè)因素，正交實(shí)驗(yàn)測(cè)試了3個(gè)因素。單因素實(shí)驗(yàn)中沒(méi)有分析有關(guān)夾帶劑在實(shí)驗(yàn)中造成的影響，且實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的間隔較大，只能反映大概結(jié)果，無(wú)法準(zhǔn)確反映實(shí)際數(shù)值。正交實(shí)驗(yàn)同樣排除了時(shí)間因素和夾帶劑對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。正交實(shí)驗(yàn)測(cè)的數(shù)據(jù)較少，不能夠明確表現(xiàn)出正交實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，無(wú)法得出最適因素下的提取方式。正交實(shí)驗(yàn)中都選擇了體積分?jǐn)?shù)90%的乙醇作為夾帶劑，沒(méi)有考慮在不同條件下夾帶劑的不同也會(huì)影響正交實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。

現(xiàn)在生產(chǎn)的高濃度番茄紅素市場(chǎng)價(jià)格都相對(duì)偏高，大多數(shù)商品都是含有少量番茄紅素的混合保健品。生產(chǎn)過(guò)程大多數(shù)還是運(yùn)用傳統(tǒng)的有機(jī)溶劑提取的方式，這種傳統(tǒng)的方式很難提取出高純度的番茄紅素，運(yùn)用相同條件提取高純度番茄紅素需要耗費(fèi)更多的生產(chǎn)費(fèi)用。在工業(yè)生產(chǎn)中超臨界提取在番茄紅素提取方面應(yīng)用較少，主要原因是在生產(chǎn)過(guò)程中所需要的條件相對(duì)苛刻，而條件中所需要的高壓、高溫在工業(yè)生產(chǎn)中有較大的安全隱患，同時(shí)生產(chǎn)費(fèi)用也相對(duì)較高，高純度二氧化碳的運(yùn)用在生產(chǎn)過(guò)程中相對(duì)危險(xiǎn)[11]。

超臨界二氧化碳萃取也有有機(jī)溶劑萃取無(wú)法代替的優(yōu)勢(shì)，操作方法簡(jiǎn)單，只需要控制簡(jiǎn)單的變量，提取純度較高，產(chǎn)物中含有其他雜質(zhì)少，而且提取時(shí)間短，提取速率快，生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)于環(huán)境的污染小，在提取過(guò)程中，不會(huì)對(duì)人產(chǎn)生過(guò)多危害。希望在不遠(yuǎn)的將來(lái)，可以研究出能夠運(yùn)用低廉的成本提取出高純度的番茄紅素的方法，讓這項(xiàng)研究了半個(gè)多世紀(jì)的物質(zhì)能夠更方便的惠及人類。